Optimization of superplastic forming production of al-5083-spf parts via finite element analysis

Zusammenfassung

La eficiencia energética se está convirtiendo en uno de los aspectos más importantes de mejora, para la industria aeroespacial. Por ello, la investigación se ha encaminado principalmente hacia el uso y desarrollo de materiales ligeros así como de procesos de transformación, con el fin de obtener piezas de estos materiales. El conformado superplástico (SPF) es un proceso de fabricación que utiliza la capacidad que tienen ciertos materiales de sufrir grandes deformaciones antes de llegar a fallo. Por ello, el mayor beneficio relacionado con el conformado superplástico es la capacidad de obtener piezas complejas, con materiales que exhiben una conformabilidad muy limitada a temperatura ambiente o templada. La relación entre los ensayos de material y el modelizado por elementos finitos, es clave a la hora de desarrollar y optimizar procesos de conformado superplástico. Los modelos numéricos ayudan a utilizar al máximo la capacidad de las propiedades superplásticas de los materiales. Por ello, uno de los aspectos más importantes de estos modelos, es el desarrollo de ecuaciones constitutivas que representen de forma fiel el comportamiento mecánico de las aleaciones. Una predicción imprecisa puede resultar en la fractura prematura del material o en su explotación no óptima. El siguiente documento estudia el comportamiento mecánico de la aleación de aluminio Al-5083-SPF en estado superplástico y propone una estrategia de optimización para conformar piezas, mejorando el tiempo de proceso. En la primera parte de este trabajo de investigación, el comportamiento mecánico del Al-5083-SPF es caracterizado, utilizando ensayos uniaxiales. Además se analiza la microestructura modificada por este comportamiento mecánico. Los datos mecánicos y micoestructurales obtenidos mediante estos ensayos, son utilizados para identificar los parámetros de las ecuaciones constitutivas anteriormente mencionadas. En la segunda parte de este trabajo, la implementación de las ecuaciones constitutivas en el programa de elementos finitos Abaqus Standard es llevada a cabo para predecir las curvas de presión ¿tiempo necesarias para alimentar el proceso SPF. Asimismo se presenta una nueva estrategia de optimización del tiempo de proceso, basada en las ecuaciones constitutivas mencionadas anteriormente. Finalmente, se realizan experimentos de conformado superplástico para dos geometrías diferentes. Comparando los resultados experimentales y numéricos, el modelo numérico es validado para diferentes estados de material. Además, la nueva estrategia planteada en este trabajo, es utilizada con éxito para conformar una geometría semi-industrial, reduciendo su tiempo de proceso.